时延力反馈遥操作系统的跟踪性能及稳定性研究

摘要

遥操作系统利用通信网络将主从设备连接起来，当操作者操纵主端设备进行某一个动作时，相应的控制信号通过通信通道传输到远距离端，指挥从端设备完成相应的操作。遥操作系统可以将人手延伸到人很难到达或是对人有害的环境中去执行任务，因此遥操作技术在工业、服务、医疗、国防、救援和空间技术等多个领域有着广泛的应用前景。
　　 在遥操作实际应用过程中，还有许多问题需要解决。如遥操作系统中通信时延是固有的，它会导致系统的不稳定。衡量遥操作系统性能的技术指标主要是系统稳定性、跟踪性和透明性，但在提高这些性能指标的研究过程中存在着相互矛盾和冲突。时延和力反馈是影响这些性能指标的主要因素。本文针对有任意固定时延和力反馈的主从机械臂遥操作系统进行研究，主要研究在不降低遥操作系统透明性前提下，如何改善主从机械臂跟踪性能并提高系统的稳定性。
　　 波变量通信能解决主从机械臂之间的数据通信时延导致的系统不稳定。本文根据建立了单自由度波变量遥操作系统的Simulink仿真模型。通过仿真实验对不同波阻抗条件下的波变量遥操作系统进行了比较，得出了波阻抗与系统性能的关系，并指出在实际波变量遥操作应用中，应该根据实际期望的系统阻尼特性来适当地选择波阻抗。
　　 为了更详尽地分析遥操作系统中主从机械臂的运动状态，本文分析了多自由度机械臂的数学模型，并将常用的单自由度波变量通信扩展成多自由度波向量通信，从而得到多自由度波向量遥操作系统的数学模型。在此基础上，本文建立了二自由度波向量遥操作系统的Simulink仿真模型。通过仿真实验，文章分析了力反馈增益和人手施加在主机械臂上的力对系统稳定性的影响。当力反馈增益增大时，系统的透明性提高，但稳定性将变差。当人手用力握住主机械臂操作时，能在一定程度上提高系统的稳定性，但由于人手容易疲劳，而且当人费力操作时，很难完成一些灵巧的动作。因此，有必要为波变量遥操作系统设计相应的力反馈算法来提高系统的稳定性。
　　 波变量通信能够保证任意时延下，遥操作系统的稳定性。但波变量转换也会引起从机械臂的速度命令信号偏离主机械臂的速度，从而造成从机械臂的实际速度偏离主机械臂的速度，而且随着时延的增大，相应的速度偏离也将增大。本文分析了该速度偏离产生的原因，并在从端设计了跟踪补偿控制器来补偿从机械臂速度对主机械臂速度的偏离，从而实现了从机械臂速度很好地跟踪主机械臂速度。该控制器所需要的数据全部来源于从端，避免了主从端额外的数据传递。同时，本文应用无源理论对该跟踪补偿控制器进行无源性分析。通过分析得出，只要合适地选择波过滤器，带跟踪补偿控制器的遥操作系统的稳定性就可以得到保证。仿真实验和大量的实际实验结果表明，本文设计的速度跟踪补偿控制器实际可行，并且在不降低遥操作系统透明性的前提下，明显地改善了从机械臂对主机械臂的运动轨迹跟踪。
　　 波变量的引入虽然解决了通信时延对系统稳定性的影响，但滞后的力反馈仍然会造成系统不稳定。本文分析了滞后的力反馈使主机械臂产生意外运动，造成系统不稳定的原因，并针对这种不稳定性，在主端设计了一种实际可行的力反馈控制算法来提高系统的稳定性。该力反馈算法根据传递到主机械臂端的反馈力和主机械臂的速度对传递到主端的反馈力进行校正，在实际应用中该算法容易实现。本文还应用无源理论证明了带力反馈控制算法的波变量遥操作系统是稳定的。仿真实验和实际的实验结果均证明了本文设计的力反馈控制算法可以提高系统的稳定性，而且相对于不带力反馈控制算法的波变量遥操作系统，操作者不需要很费力地操作主机械臂，来克服不正确的反馈力造成的主机械臂的额外运动，使波变量遥操作变得轻松自如。